安全工程新技術專題2通風系統(tǒng)可靠性

1、2 通風系統(tǒng)可靠性理論研究（1）可靠性定義可靠性是指一個元件、設備或系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。（2）通風系統(tǒng)可靠性定義通風系統(tǒng)的可靠性定義為：通風系統(tǒng)在運行過程中保持其工作參數(shù)值的能力，以維持井巷中必須的滿足要求的風量的供應。（3）通風系統(tǒng)可靠性包含的內(nèi)容1）在生產(chǎn)時期利用通風動力，以最經(jīng)濟的方式，向井下各用風地點供給保質保量的新鮮風流；2）保證作業(yè)空間有良好的氣候條件；3）沖淡或稀釋有毒有害氣體和礦塵；4）在發(fā)生災變時，能有效、及時地控制風向及風量，并與其它措施結合，防止災害的擴大，進而消滅事故。（4）通風系統(tǒng)可靠性的度量指標通風網(wǎng)絡可靠性包括風路可靠性和網(wǎng)絡可靠

2、性兩方面的內(nèi)容。由于研究方法的不同和通風系統(tǒng)本身的復雜性，目前關于通風系統(tǒng)可靠性的度量指標說法不一。2.1 風路可靠性 風路可靠度（1）目前研究存在的問題以前，人們研究礦井通風系統(tǒng)可靠性時，主要的研究參數(shù)是風量，筆者認為，如果僅僅某條風路的風量在合理范圍內(nèi)并不能說明該條風路就是可靠的，還應同時考慮該風路的粉塵濃度、溫度、有毒有害氣體濃度等指標是否在合理范圍內(nèi)，也就是說該風路的所有指標都應在規(guī)定的范圍內(nèi)，即該風路風量的數(shù)量和質量同時在規(guī)定范圍內(nèi)時，才能說該風路是可靠的。風路的破壞、斷面變化、堆積雜物等表現(xiàn)為風路風阻的變化，最終會導致該風路或其他風路風量值的變化。（2）風路可靠度的定義根據(jù)上述分析

3、，從通風的角度，風路的可靠度可定義如下：在某一穩(wěn)定狀態(tài)下，在規(guī)定的時間內(nèi)第條風路的風量值能夠保持在一個合理區(qū)間范圍之內(nèi)即且風流的質量滿足煤礦安全規(guī)程要求的概率，稱為這一風路的可靠度。記為。其中、的值和風流質量相關參數(shù)由約束條件來確定。稱第條風路風量在任意時刻保持在合理范圍之內(nèi)且風流的質量滿足煤礦安全規(guī)程要求的概率為該風路的可靠度。記為。（3）約束條件約束條件就是風路風流發(fā)生失效的邊界條件，約束條件完全按照煤礦安全規(guī)程43來確定。只要風流的數(shù)量和質量符合規(guī)程的規(guī)定，那么從通風的角度講該風路就是可靠的。具體說，包括以下四方面：1）風速2）有毒有害氣體濃度（一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氫、氨）3

4、）溫度4）煤塵、粉塵濃度這四方面只要有一方面不滿足煤礦安全規(guī)程規(guī)定，風路就會失效；這四方面同時滿足煤礦安全規(guī)程規(guī)定，風路才是可靠度。（4）風路可靠度表達式根據(jù)上述分析，風路可靠度可表述為： （2-1）式中，為風路的風量，m3/s；為風路所需最低風量，m3/s；為風路所允許通過的最大風量，m3/s；為風路中第類有毒有害氣體濃度，%；為風路中所允許的第類有毒有害氣體最高濃度，%；為可能的有毒有害氣體種類，根據(jù)煤礦安全規(guī)程43，有毒有害氣體包括：一氧化碳、氧化氮、二氧化硫、硫化氫和氨，故；為風路的溫度，；為風路允許的最低溫度，；為風路的最高允許溫度，；為風路中第類粉塵（煤塵）濃度，mg/m3；為風路

5、中第類粉塵最高允許濃度，mg/m3，為粉塵種類，根據(jù)煤礦安全規(guī)程43，粉塵類型包括：含游離二氧化硅10的粉塵、含游離二氧化硅10的水泥粉塵和含游離二氧化硅10的粉塵，故。 風路風量分布規(guī)律（1）風路可靠度定義中應注意的問題1）對于工作地點，風量不應小于額定值，若該風路風量在區(qū)間，+)內(nèi)且風質滿足煤礦安全規(guī)程43要求是可靠的，分別為風路的下限和上限流速，m/s；為風路的斷面積，m2。若，+=，則說明該風路嚴重不可靠，應采取相應措施減小或增大，視具體情況而定。2）對于一些非關鍵風路，如某些聯(lián)絡巷，其流向甚至可以允許反向，即該風路風量在區(qū)間，-，-內(nèi)是可靠的，此時該風路風量失效約束條件為：，-，+)

6、，其中、都取正值。.1 風路風量分布（1）數(shù)據(jù)采集為了求出風量分布，采用對風量動態(tài)實時監(jiān)測、分析的方法，我們對集寧二號礦井四采回風下山風速進行了監(jiān)測，每2分鐘得出1個風速值，全天24小時共得到720個監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照公式將風速值轉化為風量值，公式中為集寧二號礦井四采回風下山的斷面積，=10m2。表2-1 風量數(shù)據(jù)處理組號組距下界/m3s-1組距上界/m3s-1組距中位數(shù)/m3s-1頻數(shù)/次頻率1222322.511.388889E-032232423.534.166667E-033242524.5111.527778E-024252625.518.0255262726.5243.333334E-

7、026272827.5466.388889E-027282928.5496.805556E-028293029.5476.527778E-029303130.578.108333310313231.5130.180555611323332.5183.254166712333433.584.116666713343534.5344.722222E-0214353635.59.012515363736.511.388889E-03（2）數(shù)據(jù)處理由表2-1畫出頻數(shù)分布直方圖（圖2-1）和頻率組距分布直方圖（圖2-2）。qf(q)圖2-1 頻數(shù)分布直方圖qf(q)圖2-2 頻率組距分布直方圖形如圖2-

8、2中的曲線為正態(tài)分布。曲線呈鐘性，由一個最高點，以最高點的橫坐標為中心向兩邊對稱的下降。可見風量近似服從正態(tài)分布。正態(tài)分布曲線方程由（2-2）式給出。 （2-2）式中為隨機樣本值（在本章中為風路風量值），為正態(tài)分布的均值，即圖2-2中曲線最高值的橫坐標。整個曲線關于對稱，為正態(tài)分布的方差。越大，曲線越胖，即數(shù)據(jù)越分散；越小，曲線越瘦，即數(shù)據(jù)越集中。均值由（2-3）式求得 （2-3）對于此例有： =22.5×0.001388889+23.5×0.004166667+36×0.001388889 =31.01671方差由（2-4）式求出 （2-4）對于此例有： =(2

9、2.5-31.01671)2×0.001388889+(23.5-31.01671)2 ×0.004166667+(36.5-31.01671)2×0.001388889 =6.029665=2.455538于是圖2-2中的正態(tài)分布曲線為 （3）風路風量分布曲線綜上可得，通風系統(tǒng)風路風量正態(tài)分布曲線為 （2-5）其中：為第條風路在時刻風量分布的方差的二次方根；為條風路在時刻風量分布的均值。.2 可靠度函數(shù)圖2-3中陰影部分的面積即為風路風量小于m3/s的概率。那么風路風量大于m3/s的概率如（2-6）式所示。 （2-6）由數(shù)學分析可知，圖2-3中陰影部分的面積為

10、（2-7） 圖2-3 可靠度示意圖.3 風路可靠度計算由約束條件所確定風路風量在規(guī)定范圍內(nèi)的概率記為。則由上述分析可知： （2-8）將（2-5）式代入（2-8）式可得（2-9）式。 （2-9）其中：、分別為第條風路在時刻允許風量的下限和上限，m3/s；為第條風路在時刻的風量值，m3/s。同理可得約束條件中有關有毒有害氣體、溫度、粉塵濃度在規(guī)定范圍內(nèi)的概率依次為（2-10）式（2-12）式。 （2-10） （2-11） （2-12）式中，、分別為、的分布函數(shù)。將（2-9）式（2-12）式代入（2-1）式，可得風路在時刻可靠度為 （2-13）2.2 通風機可靠度首先建立風機失效樹的數(shù)學模型，選定失

11、效樹的頂事件為“通風機運轉不正常停機”。構造失效樹時，風機失效樹的結構邏輯模型由以下部分組成57：動力部分：包括電機、聯(lián)軸器、調(diào)節(jié)部分；底座機架部分：包括底座、軸承底座、機架；工作系統(tǒng)：包括葉輪、前后盤、葉片；管道系統(tǒng)：包括進、排氣管道、管道上機件；潤滑部分：包括齒輪油泵、潤滑油、管道機件；冷卻系統(tǒng)：包括冷卻盤、冷卻系統(tǒng)的機件等。共 75個基本事件，各個事件間的邏輯為或門，風機失效樹如圖2-4所示。建立了風機失效樹模型后，要進行風機失效樹的定性定量分析必須研究風機底事件的失效概率。設風機失效樹由個事件組成，其集合為失效樹的底事件。每個底事件的失效率為 （2-14）式中為第個底事件的失效率；為單

12、機使用時間即10萬小時；為第個事件的失效次數(shù)。 該系統(tǒng)只要一個底事件發(fā)生，頂事件就發(fā)生，只有全部底拿件正常，頂事件才正常。因此系統(tǒng)的失效率為 （2-15）可靠度系數(shù)為 （2-16）在通風系統(tǒng)（網(wǎng)絡）可靠度計算時，認為只要有一個回風井主要通風機故障則系統(tǒng)故障，因此，從功能上講，各處風井口的主要通風機是一種串聯(lián)關系。風機運轉不正常失效圖2-4 通風機失效樹分析圖 （2-17）式中，為維修率，為故障率。主要通風機系統(tǒng)有效度為60 （2-18）式中，為主要通風機數(shù)目。2.3 通風構筑物可靠度 考慮到通風構筑物的功能，采用漏風率來定義構筑物的可靠度。 （2-19）式中，對風門、風窗、風墻而言為相應構筑物的漏風量，對風橋、風障而言為相應構筑物前的風量，對防爆門、反風門而言為流經(jīng)相應構筑物的風量；對風門而言為所在巷道允許通過的風量，對風窗而言為設計要求的風量，對風橋、風障而言為相應構筑物后的風量，對防爆門、風墻、反風門而言為0；對風門、風窗、風橋、風障而言等于，對于風墻而言為其所在巷道的